Lumina este cheia către înțelegerea naturii, universului și a lucrurilor care ne înconjoară.
Dorința de a înțelege natura luminii a jucat, probabil, rolul principal în avansarea științei.
Cu toate acestea, așa cum vom vedea în continuare, lumina nu se grăbește să ne dezvăluie toate tainele sale și ne provoacă să o cunoaștem mai bine.
Lumina conține informații despre vârsta și dimensiunea universului și poate dezvălui originea universului nostru. Să încercăm să o cunoaștem mai în profunzime.
Istoria descoperirii naturii luminii
Oamenii din cele mai vechi timpuri au fost mereu interesați să afle care este natura luminii.
Așa cum mecanica este una dintre cele mai vechi discipline, optica este recunoscută ca fiind una din cele mai vechi domenii ale cunoașterii umane.
Deși nu se cunoaște cu precizie când și cine s-a preocupat pentru prima dată de natura luminii și de efectele ei ciudate, este evident că dorința de a înțelege lumina a fost unul dintre principalii factori care au contribuit la progresul civilizației noastre.
Dorința de a dezvălui tainele luminii a stat la baza dezvoltării metodei științifice de către savantul și filosoful arab Alhazen, care reprezintă piatra de temelie a științei moderne.
Primele încercări înregistrate de a înțelege natura luminii și modul în care noi o percepem au fost întreprinse de filosofii greci.
Bazele opticii moderne au fost puse în Grecia antică prin cercetările efectuate aproximativ în perioada secolelor 5-3 î.e.n. de către cei trei mari filosofi ai Greciei antice: Socrate (469-399 î.e.n.), Platon (427-347 î.e.n.), și Aristotel (384-322 î.e.n.).
Ulterior, Euclid (330-275 î.e.n.) a rezumat cunoștințele fundamentale despre optică, cum ar fi reflecția, difuzarea și vederea.
Cu toate acestea, acești gânditori abordau vederea mai mult ca o problemă de natură geometrică, și nu fizică, fiziologică sau psihologică.
Astfel, în ceea ce privește natura fizică a razelor vizuale, gânditorii antici nu au avansat prea mult, în mare parte menținând concepția formulată de filosoful grec din secolul V î.e.n., Empedocles.
Empedocles a postulat că totul este compus din patru elemente: foc, aer, pământ și apă.
El credea că Afrodita a creat ochiul uman folosind aceste patru elemente, în care focul făcea posibilă emanarea luminii, astfel permițând vederea.
Dacă această teorie ar fi fost adevărată, atunci ar fi fost posibilă vederea atât ziua, cât și noaptea, deoarece Empedocles presupunea o interacțiune între razele din ochi și razele provenite de la o sursă, cum ar fi soarele.
El afirma: „Esența luminii este lumina albă. Culorile sunt alcătuite dintr-un amestec de luminozitate și întuneric.”
Progresul Lumii Musulmane în cunoaşterea luminii
În secolul al XI-lea, arabii preluau ștafeta, inaugurând astfel Epoca de Aur a Științei în lumea musulmană.
Această epocă se caracteriza prin deschiderea față de idei noi și subversiunea convingerilor înrădăcinate.
15 realizări incredibile din lumea musulmană în Epoca de Aur a Islamului
Unul dintre cei mai remarcabili reprezentanți ai lumii arabe care s-a dedicat studiului naturii luminii și funcționării vederii a fost Ibn al-Haytham, cunoscut și sub numele de Alhazen.
El merită cu prisosință titlul de pionier al științei moderne. „Dacă căutarea adevărului reprezintă scopul omului de știință, atunci acesta trebuie să devină critic față de tot ceea ce citește.”
Acest lucru implică faptul că este mai esențial să se demonstreze experimental tot ceea ce este scris, în loc să se accepte orbește informația ca pe o adevăr absolut.
El a realizat că simțurile sunt predispuse la eroare și a fost cel care a pus baza metodelor de verificare, testare și experimentare pentru a descoperi adevărul fenomenelor naturale pe care le-a perceput.
Cea mai remarcabilă lucrare a sa a fost „Kitab al-Manazir,” care adesea este tradusă ca „Cartea Opticii,” dar o traducere mai corectă ar fi „Cartea Vederii.”
El a pus la îndoială afirmațiile grecilor antici și a demonstrat, atât pe cale rațională cât și experimentală, că lumina reprezintă o parte crucială și independentă a procesului vizual.
Ibn al-Haytham este cunoscut pentru explicarea fenomenelor luminii și vederii prin utilizarea unei camere întunecate cu un orificiu prin care pătrunde lumina solară din exterior și apoi este proiectată pe peretele opus al încăperii.
Prin această metodă, el a observat că pe peretele opus se formează o imagine a lumii exterioare.
El a numit acest fenomen „Albeit Almuzlim,” care a fost ulterior tradus în latină ca „camera obscura,” un dispozitiv care stă la baza aparatelor de fotografiat.
Din experimentele repetate, Ibn al-Haytham a concluzionat că razele de lumină călătoresc în linii drepte și că procesul de vedere are loc atunci când aceste raze trec prin ochii noștri.
În căutarea dovezilor, Ibn al-Haytham a studiat lentilele și a experimentat cu diferite tipuri de oglinzi: plane, sferice, parabolice, cilindrice, concave și convexe.
Rezultatele sale l-au condus la o altă afirmație fundamentală: „Obiectele vizibile pentru noi prin refracția luminii – prin materiale dense precum apa și sticla – apar mai mari decât dimensiunea lor reală.”
Putem spune că el a făcut primii pași în construirea primelor telescoape, care ulterior au deschis omenirii calea către stele și lumi îndepărtate.
Despre acest lucru vom discuta mai târziu, după ce vom explora mai în detaliu unele proprietăți speciale ale luminii.
Dezvăluirea proprietăţilor deosebite ale luminii
Lumina posedă proprietăți unice, absente în oricare alt material din jurul nostru.
Luați, de exemplu, particula elementară a luminii, fotonul, emis de atomi sau molecule.
El ia naștere cu o mișcare inițială la viteza luminii. Fotonul nu posedă altă viteză, și nu cunoaștem niciun alt fenomen care să poată ajunge la această viteză maximă.
Nimic altceva nu poate să se deplaseze mai rapid.
În încercarea noastră de a accelera alte particule aproape de viteza luminii, acestea devin tot mai greu de controlat și oferă o rezistență din ce în ce mai mare.
Până în prezent, nu s-a reușit să se realizeze un experiment care să accelereze o particulă până la viteza luminii.
Poate am mers prea departe, dar sper că acest lucru vă stârnește curiozitatea de a afla mai multe.
Să continuăm acolo unde am rămas.
Ce este, în fond, lumina? Spectrul luminii
Un alt om de știință remarcabil care s-a dedicat studiului luminii a fost Isaac Newton, cel care a făcut prima descoperire în legătură cu misterul curcubeului.
Newton a observat că lumina solară albă este alcătuită din amestecul tuturor culorilor curcubeului atunci când este refractată printr-o prismă.
El a numit această imagine a luminii descompuse în culori „spectru,” cuvântul derivând din limba latină și însemnând „fantomă.”
Newton a fost acela care, pentru a elucida natura luminii, a formulat teoria corpusculară.
Conform acestei teorii, lumina este un flux de particule emise în toate direcțiile de către o sursă luminată.
Prin intermediul acestei teorii, el a putut explica fenomene optice precum diferitele culori ale radiației.
Cu toate acestea, teoria corpusculară are baze și similarități cu atomismul, un concept promovat în numeroase tradiții antice.
Referințe la acest concept pot fi găsite atât în India antică, cât și în Grecia antică.
Lumina pe care nu o vedem – cheia spre explorarea cosmosului
Atunci când a descoperit spectrul, lui Newton i-a scăpat un lucru important – o enigmă, cheia către explorarea cosmosului.
Un detaliu de o importanță covârșitoare: ușa către un univers ascuns, care nu avea să se deschidă decât peste 150 de ani.
Această descoperire urma să fie făcută de un alt om de știință care activa în anii 1800, căruia îi va fi predestinat să găsească dovezi a existenţei altor lumi ascunse din jurul nostru.
Cu toții știm că lumina aduce căldură.
Când astronomul britanic William Herschel examina Soarele, el a ales să monteze filtre de diferite culori la telescop, pentru precauție.
El a observat că fiecare din filtrele aplicate încălzeau telescopul diferit.
Această observație i-a stârnit o întrebare: oare unele culori ar putea avea o temperatură mai mare decât altele?
Pentru a investiga acest fenomen, el a folosit o prismă pentru a refracta lumina vizibilă, plasând un termometru pentru fiecare culoare a spectrului.
În plus, a adăugat un termometru de control, amplasat direct după capătul roșu al spectrului, unde nu exista nicio lumină vizibilă.
El a constatat că temperaturile creșteau de la violet la roșu.
Aceasta a fost o descoperire semnificativă, chiar dacă nu a fost una revoluționară.
Cu adevărat uluitor a fost când a realizat că cea mai înaltă temperatură era indicată de termometrul de control, acolo unde nu exista nicio lumină vizibilă.
Astfel, a descoperit lumina infraroșie.
Ochii noștri nu sunt sensibili la acest tip de lumină, dar pielea noastră o simte extrem de bine sub forma de căldură.
Hershel a fost primul care a detectat această prezență invizibilă chiar la capătul roșu al spectrului.
De aceea a fost numită infraroșie; „infra” în latină înseamnă „de mai jos”.
Aceasta este cu adevărat o descoperire remarcabilă.
Cu toate acestea, secrete mult mai mari rămâneau ascunse adânc în interiorul luminii.
Aproximativ în aceeași perioadă în care William Herschel descoperea lumina infraroșie în laboratorul său din Anglia, un tânăr pe nume Joseph Fraunhofer, care rămăsese orfan la vârsta de 11 ani, lucra în condiții nefavorabile, amestecând continuu substanțe chimice toxice într-un cazan.
El era ucenic la un producător de sticlă sever, numit Philipp Anton Weichelsberger.
În anul 1801, atelierul în care lucra s-a prăbușit în urma unei catastrofe, iar el a fost îngropat sub dărâmături.
Operațiunea de salvare a fost coordonată de prințul Bavariei, Maximilian.
Acest eveniment a marcat intrarea prințului Maximilian în viața lui Fraunhofer, care i-a oferit cărți și a insistat ca patronul să îi acorde timp pentru studiu.
Ulterior, cu sprijinul consilierului prințului Joseph, i s-a oferit lui Fraunhofer oportunitatea de a lucra la Institutul Optic, o mănăstire benedictină dedicată producției de sticlă.
Aici, el a descoperit cum să producă cea mai bună sticlă optică din lume și a inventat metode incredibil de precise pentru măsurarea dispersiei.
Fraunhofer a efectuat experimente cu prisme pentru a identifica cele mai bune tipuri de sticlă pentru lentilele de precizie.
Prin examinarea spectrului cu ajutorul teodolitului, el a realizat ceea ce fusese omis de către Newton.
El a înțeles modul în care prisma dispersează culorile ascunse în lumina solară.
Aici ne confruntăm cu o altă caracteristică a luminii: natura sa ca undă.
Deocamdată, este suficient să știm că, pe lângă proprietățile specifice particulelor, lumina posedă și proprietăți de undă.
Așadar, la fel cum lungimea undei sonore determină înălțimea sunetului pe care îl auzim, tot astfel și lungimea de undă a luminii determină culoarea pe care o vedem.
Cu toate acestea, lumina manifestă calități care nu se supun întotdeauna regulilor.
Undele sonore nu pot călători prin vid; au nevoie de materie, cum ar fi moleculele de aer, apă sau rocă, pentru a se deplasa.
În schimb, undele de lumină zboară de sine stătător și se pot propaga prin spațiul vid.
Când lumina se deplasează prin aer sau spațiu, toate culorile sale se mișcă cu aceeași viteză.
Cu toate acestea, atunci când lumina lovește sticla sub un unghi, ea se încetinește și își schimbă direcția, iar culorile din lumina respectivă se mișcă cu viteze diferite.
În sticlă, lumina violetă, care poartă cele mai scurte unde vizibile de către ochiul uman, se încetinește mult mai mult decât lumina roșie, care are o lungime de undă mai mare.
Aceste modificări ale vitezei separă culorile și direcționează undele lor în direcții ușor diferite. Așa funcționează o prismă.
Însă mai exista un aspect în spectrul luminii care l-a intrigat pe Fraunhofer când l-a examinat cu ajutorul theodolitului.
Aceste linii negre verticale înscrise în lumina solară ascundeau un cod secret.
Aici, asistăm la intersectarea dintre fizică și astronomie, la nașterea unui nou domeniu științific, astrofizica.
A fost nevoie de o sută de ani de gândire și cercetare pentru a descifra mesajul înscris în aceste linii verticale negre, la care ne vom întoarce cu siguranță.
Însă înainte de aceasta, vom explora un alt mister fascinant – cel al culorii.
Ce reprezintă culoarea sau cum percepem noi culorile?
Prin urmare, lumina vizibilă reprezintă o mică parte a spectrului electromagnetic pe care ochii umani o pot detecta și simți.
Obiectele par în culori diferite deoarece absorb anumite culori din spectru și reflectă altele.
Să luăm ca exemplu o floare cu petale albastre.
Atunci când undele luminoase de diferite lungimi, provenind de la Soare, ating Pământul, petalele acestor flori absorb toate undele lungi, de culoare roșie, cu energie scăzută, dar reflectă pe cele mai scurte, de culoare albastră, cu energie mai mare.
Această interacțiune dintre lumina solară și petale, sau un alt obiect, este ceea ce creează culoarea albastră.
Culoarea este modul în care ochii noștri percep cât de energice sunt undele de lumină.
Mesajul secret al luminii – o privire în adâncul cosmosului
Dar cum rămâne cu acest mesaj secret? Cu acele linii verticale negre din spectrul lui Fraunhofer? Ce le generează?
Ele apar atunci când aceste unde electromagnetice de o anumită culoare sunt absorbite.
Acest fenomen are loc la un alt nivel al realității, într-o lume mult mai mică decât cea cu care suntem obișnuiți.
Pentru a ajunge acolo, ar trebui să devenim de zece miliarde de ori mai mici.
Să luăm ca exemplu atomul de hidrogen, cel mai simplu și cel mai răspândit atom din cosmos.
Acesta conține doar un electron și un proton.
Aici, domnește lumea cuantică, care nu se conformează experienței umane obișnuite.
Într-un atom, electronul nu există între orbitale, ci apare pe unul și dispare pe altul.
E ca şi cum ai lua un ascensor de la etajul doi la al patrulea, în timp ce vei înceta să exişti între acestea.
Şi plus la aceasta, elevatoarele cuantice se opresc numai la anumite etaje.
Dimensiunile orbitelor electronice sunt strict limitate și diferite pentru atomii fiecărui element.
De aceea, elementele sunt diferite.
Dimensiunile orbitelor electronice sunt strict limitate și diferite pentru atomii fiecărui element. De aceea, elementele sunt diferite.
Forța care ține un electron pe orbită nu are nimic de-a face cu gravitatea; aceasta este o forță de atracție electrică.
Acesta este un dans al electronului pe un cerc ondulat în jurul nucleului central al unui atom și el face salturi cuantice de pe o orbită pe alta, în sus sau în jos.
Cu cât orbita este mai extinsă, cu atât şi energia electronului de pe ea este mai mare.
Pentru a sări pe o orbită mai mare, electronul trebuie să acumuleze energie și să o piardă pentru a reveni înapoi.
Fiecare salt pe o orbită mai mare este cauzat de atomul care absoarbe o undă de lumină, dar noi nu avem idee ce provoacă salturile la un nivel mai jos.
Însă noi știm că astfel de salturi produc întotdeauna o undă de lumină a cărei culoare se potrivește cu diferența energetică dintre orbitale.
Suprafața Soarelui radiază unde de lumină de toate culorile.
Dacă priviți lumina Soarelui printr-o prismă, veți vedea spectrul ei.
Atunci când măriți spectrul cu un telescop, așa cum a făcut Joseph Fraunhofer, ridicați cortina asupra dansului electronului din atom.
Atunci când energia electronului slăbește și el cade pe o orbită mai inferioară, undele de lumină pe care el le emană dispar.
O mare parte din ele nu ajung până la noi, lăsând goluri întunecate sau o linie verticală neagră în spectru.
Aceste linii întunecate sunt umbrele aruncate de atomii anumitor elemente chimice în atmosfera Soarelui.
Atomii fiecărui element chimic aruncă umbre diferite, specifice doar lor.
Electronii lor dansează după melodii diferite.
Atomul hidrogenului are doar un electron pe orbitală, ceea ce îl face cel mai simplu și răspândit element chimic din Univers, dansul căruia este foarte modest.
Dar, într-un singur atom de fier cu 26 de electroni, se interpretează o întreagă piesă muzicală de pe Broadway.
Și atunci, când priviți o stea cu un spectroscop, vedeți liniile întunecate ale tuturor elementelor din atmosfera sa.
Este suficient să vedem spectrul oricărui lucru, fie de aici de pe Pământ, fie de la o stea îndepărtată, și noi putem spune din ce elemente este făcut.
Liniile lui Fraunhofer sunt semnăturile atomice ale elementelor împrăștiate în întreg cosmosul.
Liniile spectrale au arătat că cosmosul vizibil este făcut din aceleași elemente chimice.
Planetele, stelele, galaxiile, noi înșine și totul este viu…
Lumina – particulă sau undă?
Nimeni nu este suficient de sigur cum să o descrie. Ca o undă sau ca o particulă?
Dar oamenii de știință spun că ea posedă ambele calități.
Este o apreciere a importanței luminii în viața de zi cu zi, încât noi practic, nici nu-i acordăm atenție. Lumina este aproape ca aerul. Este ceva dat de la sine.
Un om nu-și bate capul referitor la conceptul luminii mai mult decât un pește în privința noțiunii apei.
Newton credea că lumina este formată din particule — „o mulţime de corpusculi neimaginabil de mici și rapizi de diferite dimensiuni, ce apar din corpuri sclipitoare aflate la distanţe mari unul de altul”.
Newton era atât de influent pe peisajul ştiinţific al vremii sale încât rivalii săi nu au avut șanse să promoveze teoria conform căreia lumina este o undă.
Redresarea teoriei undei a început abia în secolul al 19-lea, când titanii științei de la acea vreme s-au alăturat luptei pentru înțelegerea luminii și majoritatea au trecut de partea teoriei undelor.
Istoria teoriei ondulatorii a luminii
Unul dintre cei care nu s-a lăsat intimidat de autoritatea lui Newton și a dezbătut teoria sa potrivit căreia lumina este formată din particule a fost Christiaan Huygens.
În 1690, el a publicat o lucrare despre lumină, susținând teoria sa, conform căreia lumina este o undă sau o frontă de undă.
El a utilizat această teorie pentru a explica fenomenul de reflexie și refracție a luminii.
Principiul lui Huygen
Principiul lui Huygen afirmă că fiecare punct de pe frontul de undă poate fi considerat o sursă de wavelete (este o oscilație sub formă de undă cu o amplitudine care începe de la zero, crește sau scade și apoi revine la zero de o dată sau de mai multe ori) sferice secundare care se răspândesc înainte cu viteza unei unde.
Deci, dacă luăm în considerare o sursă punctuală, aceasta își va emite propriul front de undă, iar acesta va fi de natură sferică.”
Conform principiului lui Huygen, toate punctele de pe frontul de undă vor deveni o sursă secundară.
Deci, fronturile de undă vor înainta în față.
Toate sursele secundare emit wavelete.
Tangenta trasă pe toate waveletele este noua poziție a formei de undă.
Pentru a fi mai clar, să presupunem că staţi pe un munte şi aruncaţi o piatră în apă de la înălţime.
Ce veţi observa?
Veţi vedea că în jurul punctului unde piatra a lovit apa se vor forma valuri.
Fiecare punct de pe suprafaţa apei începe să oscileze.
Mai devreme, când apa era în repaus, valurile se răspândeau egal în toate direcţiile.
Dar, în câteva fracţiuni de secundă după aruncarea pietrei în apă, perturbarea se răspândeşte în toate direcţiile.
În apă se formează valuri. Valurile se formează sub formă de cercuri concentrice în jurul perturbării şi se răspândesc.
Aceste ondulaţii nu sunt altceva decât front de undă.
Fronturile de undă se răspândesc treptat în toate direcțiile.
Deci, în fiecare punct se emite un val.
După formarea frontului de undă primar, din el se formează un nou front de undă secundar și așa mai departe.
Tulburarea nu durează mult timp și se estompează treptat, deoarece se formează din ce în ce mai multe fronturi de undă.
Același lucru are loc și în cazul luminii.
De asemenea, Huygens a explicat cu succes propagarea liniară sferică a luminii folosind această teorie.
De fiecare dată când dați perdelele de la fereastră la o parte și lumina de afară pătrunde în încăpere, asistăm la principiul lui Huygens în funcțiune.
Aceasta se datorează naturii undulatorii a luminii, care se răspândește în cameră în toate direcțiile.
După repetate dezbateri furtunoase împotriva teoriei particulelor de lumină a lui Newton, teoria lui Huygens, conform căreia lumina este undă, a devenit conceptul științific de bază.
Cu toate acestea, Huygens nu a fost capabil să explice efectele de difracție ale luminii.
Abia la începutul secolului 19, interesul în ceea ce privește natura luminii s-a concretizat în noi descoperiri.
În 1803, experimentul efectuat de Thomas Young (en) asupra interferenței luminii a dovedit că teoria undelor a luminii a lui Huygens este corectă.
El a arătat că atunci când lumina de la o sursă punctată trece prin două găuri, pot fi observate franjuri de interferență pe un ecran situat la o distanță adecvată, ceea ce susține teoria sa conform căreia lumina se comportă ca o undă.
Apoi, în 1815, Fresnel a furnizat ecuații matematice pentru experimentul lui Young.
În ciuda progreselor teoretice și experimentale din prima jumătate a secolului al XIX-lea, care au stabilit proprietățile luminii, natura luminii încă nu fusese elucidată complet – esența oscilațiilor undelor rămânea un mister.
Această situație s-a schimbat dramatic în anii 1860, când fizicianul scoțian James Clerk Maxwell, în lucrarea sa teoretică, a unificat optică, câmpurile electricității și magnetismul.
În formularea sa a electromagnetismului, Maxwell a descris lumina ca o undă de propagare a câmpurilor electrice și magnetice.
Mai general, el a prezis existența radiațiilor electromagnetice: câmpuri electrice și magnetice cuplate care călătoresc ca unde cu o viteză egală cu cea a luminii.
Concluzia sa a fost că lumina este, în esență, o undă „electromagnetică”.
Max Planck a propus că lumina este formată din pachete finite de energie cunoscute sub numele de cuantum de lumină, care depind de frecvenţa şi viteza luminii.
Mai târziu, în 1905, Einstein a avansat ideea că lumina posedă caracteristici atât de particule, cât și de undă.
El a sugerat că lumina este alcătuită din particule mici numite fotoni. În cele din urmă, mecanica cuantică a confirmat natura duală a luminii.
Dezbaterea dintre teoria particulelor și cea a undelor s-a încheiat printr-un fel de armistițiu, determinat de mecanica cuantică.
Lumina este produsă de modificările din nivelul energetic al electronilor.
Deși lumina se deplasează prin spațiu ca o undă, când interacționează cu materia, se comportă ca o particulă.
Pur și simplu, ea nu poate fi încadrată în niciuna dintre categoriile noastre restrânse.
„Lumina, într-adevăr, este diferită de orice altceva ce cunoaştem noi”, scrie Sidney Perkowitz, fizician de la Universitatea Emory şi autorul cărţii „Empire of Light”.
Ce beneficii a adus studierea naturii luminii pentru omenire și care sunt perspectivele?
Lumina este folosită acum într-o varietate de domenii, de la chirurgia cu laser pentru ochi până la tehnologia telefonică.
Potențialele aplicații militare ale luminii, care păreau a fi preluate din science fiction, ar putea deveni realitate într-un deceniu, iar lumina ar putea deveni arma preferată pentru interceptarea rachetelor ostile în cer.
Lumina ar putea deveni chiar sursa preeminentă de energie pentru călătoriile spațiale la distanțe lungi.
O navă spațială ar putea fi echipată cu o velă subțire pentru a captura „vântul” de lumină emis de un laser de pe Pământ.
În teorie, o astfel de ambarcațiune ar putea atinge o fracțiune semnificativă din viteza luminii, fără a avea nevoie de combustibil.
Cu cât explorăm mai profund acest subiect, cu atât devine mai evident că viețile noastre sunt construite în jurul luminii.
Existența noastră de zi cu zi este în mod continuu modelată și alimentată de acele lucruri ambigue care datează de la începutul timpului.
Totul, de la tehnologiile noastre până la spiritualitate, sunt creații ale luminii.
Lasă un răspuns